摘要:

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摘要:生物力学已成为生物医学工程研究最活跃的领域之一。近年来，我国生物力学在细胞分子层次机制研究、基于生物力学理论和方法发展有疗效或有诊断意义的新概念和新技术方面取得了显著进展，有效地促进了生物医学基础与临床和人类健康与疾病相关领域的研究。着重介绍近3年（2016~2018年）我国在心血管生物力学、骨肌系统生物力学、器官生物力学、细胞分子生物力学与力学生物学等方面所取得的进展情况。

摘要:目的 研究支架植入后趋直现象对病变处血管壁力学环境变化的影响，探索支架植入后再狭窄的生物力学成因及支架优化方法。方法 基于患者CT扫描图像，使用Mimics、Geomagic和Pro/E软件完成动脉、球囊以及理想与趋直两种支架模型的构建，应用ABAQUS软件建立球囊-支架-冠状动脉左前降至血管之间的力学模型，根据数值模拟计算结果，分析趋直对病变处血管壁力学环境的影响。结果 在1.013 MPa充气压力下撑开支架后，与理想支架模型相比较，趋直支架模型的血管壁内表面出现Von Mises应力增大和明显的应力集中现象，尤其是在近心端、远心端及沿心肌表面区域。理想支架模型血管内壁平均和最大Von Mises应力分别0.39、5.12 MPa；趋直支架模型血管内壁平均和最大Von Mises应力分别为0.45、7.43 MPa。结论 支架植入后发生的趋直现象将引起应力分布不均匀，出现应力集中，增大对血管壁造成的伤害，可能会引起血管的机械损伤及管壁重建，诱发支架内再狭窄的发生。研究结果可为术后支架内再狭窄的机理分析提供帮助，也为血管介入手术方案及支架优化设计提供参考。

摘要:目的 通过计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）分析Stanford B型夹层的血流动力学参数，从而有效全面评估疾病。方法 基于1例复杂的Stanford B型主动脉夹层患者的增强CTA影像，构建三维模型和血流动力学的数值模拟研究，分析流场速度分布、夹层破口剖面速度分布以及壁面切应力。结果 该病例在夹层入口、出口处的血液流速分别最高达到1.2、2 m/s，为进一步预测夹层破裂位置和评估夹层破裂风险提供依据。在夹层破口附近的假腔壁面形成明显的低壁面切应力区，与患者体内血栓位置相一致。结论 CFD能有效分析复杂主动脉夹层的血流动力学特征，获得主动脉弓部及其降主动脉的剪切力与主动脉夹层发生的相关性，有助于指导临床对主动脉进行功能学评估，进而预防疾病发生。

摘要:目的 研究不同血栓直径和血栓含量下可转换型腔静脉滤器用于治疗肺动脉栓塞后对血流动力学的影响。方法 构建3种直径相同、过滤结构（L、S和W型）不同的滤器仿真模型，利用计算流体力学方法对植入血管以后的滤器进行血流动力学分析。结果 在无血栓条件下,3种滤器均对血流有一定的阻碍作用,并使出口处的平均流速增大。其中，L型滤器引起的出口平均流速最大,S型次之,W型最小。在有血栓条件下,滤器过滤杆的结构形状对出口平均血流流速、血栓流速、血流出入口压差、血栓出入口压差影响不明显；而随着血栓直径的增大和血栓含量的增加,血流动力学因素呈现不同程度下降趋势。血流对3种滤器过滤杆上产生的壁面剪应力均在正常范围之内,而滤器支撑体下游端和支撑体与过滤杆连接处产生的壁面剪切应力都小于最小极限值,该处容易引起血栓形成。结论 利用计算流体力学方法分析3种可转换型滤器在不同过滤杆结构以及不同血栓直径、血栓含量下对血流动力学的影响，为新型滤器的设计研发提供理论参考。

摘要:目的 研究通气量变化时动脉-毛细血管-静脉血管中一氧化氮(nitric oxide, NO)浓度的变化情况以及NO对血管的动态调控机理。方法 应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics建立肺血管网络模型，引入NO对血管的动态调控机制，开展流场-物质浓度场耦合仿真，探究氧气与血流对肺血管网络中NO浓度及其分布的影响，以及通气不足情况下NO对肺血管的动态调节功能。结果 氧浓度及血流会共同影响NO在肺血管网络中的分布。当肺通气不足时，进入肺部毛细血管的氧气量降低。静态条件下，肺静脉血管壁NO浓度明显降低；动态条件下，NO浓度降低会导致血管收缩，血管半径下降，使得NO浓度降低得到动态补偿。血管紧张度调控系数α直接影响NO的调控作用，α在一定范围内起作用，其值越高血管半径的变化越大，NO浓度变化越小，且α的有效取值范围大于1。结论 研究结果揭示了通气量变化时动脉-毛细血管-静脉血管中NO浓度的变化情况以及NO对血管的动态调控机理，并预测α的有效取值范围，为进一步研究通气不足情况下由于血管收缩而使血管阻力发生变化进而影响血流量、调控通气灌注比的机制提供理论依据。

摘要:目的 研究毛细血管微循环障碍对脑出血的影响及其机制。方法 通过引入多孔介质代替毛细血管的负载效应。建立由豆纹动脉（lenticulostriate artery, LSA）经毛细血管到静脉的微循环模型。参考人体各种生理情况，对模型设置适当的力学边界条件，进行数值模拟，观察并记录各种情况下血压和血管壁应力变化。结果 正常情况下，LSA整体血压相对较低，起始端与末端的血压压差比较明显，血管壁各部分的应力处于同一水平。发生微循环障碍的情况下，LSA整体血压上升，起始端与末端血压压差明显减小。各部分血管壁应力均有上升，且末端应力上升最为显著。结论 微循环障碍对LSA血流动力学的影响尤为显著，是导致LSA破裂出血的重要因素。研究结果对认识在微循环障碍情况下大脑血管的破裂机制以及预防脑出血的发生都有重要的理论参考和实际意义。

摘要:目的 研究足跟痛病症的发生与康复机制，为临床上足跟痛治疗方法的有效性提供理论依据。方法 对足跟痛患者足膝部CT、MRI影像数据进行三维重建，建立患者足膝部的骨骼-肌肉复合有限元模型。基于所建模型采用有限元方法，仿真模拟小腿肌肉挛缩对足踝部生物力学性能的影响。结果 在小腿肌肉提升力的作用下，足底压力从足跟区向足掌区转移，且不同肌肉作用力组合方案对压力分布不产生明显差异。足底筋膜张力升高，跟骨表面产生应力集中。在240 N作用力下，跟腱附着位置和跟骨结节处产生应力峰值，分别高达10.82、11.2 MPa。结论 小腿部肌肉和跟腱中产生应力集中，会导致足踝部生物力学特性发生变化，引发足跟部疼痛。释放集中应力恢复踝关节中各骨骼和关节的位置，从而改善整体生物力学环境的方法是治疗足跟痛的康复机制。

摘要:目的 结合临床经验应用有限元方法探讨旋前-外旋型三踝骨折逆移位手法复位的可行性。方法 基于CT影像及骨骼韧带等组织解剖特点、材料参数，构建国人年轻男性筋骨完整的正常踝关节模型；根据旋前-外旋型三踝骨折的相关特点，在恰当的位置进行截骨造模，建立筋骨结构完整的旋前-外旋型三踝骨折有限元模型；在有限元骨折模型上进行逆移位手法复位力学加载。结果 通过位移加载，所建旋前-外旋型三踝骨折有限元模型得到了有效的复位。结论 通过对逆移位手法复位旋前-外旋型三踝骨折进行有限元分析，在临床经验的基础上进一步证明了逆移位手法复位方法具有一定的可行性、有效性及科学性。

摘要:目的 对比研究n-HA/PA66椎体增强器和椎体成形术治疗骨质疏松性骨折椎体的生物力学效果，并为临床上选择n-HA/PA66椎体增强器的入路方式和数量提供理论依据。方法 在正常椎体T11～L3有限元模型的基础上，建立4种增强器-椎体T11～L3有限元模型（横突入路A、横突入路B、腰大肌入路A和腰大肌入路B）、两种删除椎体横突间韧带的对照组模型，以及两种骨水泥-椎体T11～L3有限元模型（1.8、3.6 mL骨水泥）。在9种有限元模型上均施加500 N垂直荷载和7 N·m不同方向力矩，计算分析模型在垂直、前屈、后伸、侧弯和扭转工况下的应力和位移，并基于计算结果探究两种不同骨质疏松性椎体骨折治疗方法对椎体的生物力学影响。结果 在相同荷载工况下，注入骨水泥后椎体的应力较植入增强器后椎体的应力增加更大，且位移减量更小。4种增强器-椎体T11～L3有限元模型中，采用腰大肌入路A方式（即经腰大肌单侧植入1枚增强器）植入增强器使得椎体应力增加最小。结论 为了降低应力增加而引起再次骨折的风险，同时增强骨折椎体的刚度，建议临床医生应优先采用经腰大肌单侧植入1枚增强器来治疗骨质疏松性椎体骨折。

摘要:目的 系统研究流体剪应力（fluid shear stress,FSS）作用下成骨分化方向不同阶段4种细胞内Piezo1离子通道蛋白的基因表达情况。方法 利用自行研发的锥板流动腔技术，对小鼠来源的间充质干细胞MSC、成骨样细胞MC3T3-E1、成骨末期细胞MLO-A5和骨细胞MLO-Y4施加不同强度FSS（0.1、1.1 Pa），并分别在0、0.5、1、3、6、12 h等不同时间点抽提细胞内总RNA，应用实时荧光定量PCR技术研究FSS刺激对Piezo1基因表达的影响情况。结果 MSC、MC3T3-E1、MLO-A5和MLO-Y4细胞内都表达Piezo1和Piezo2。FSS作用后，所有细胞的Piezo1表达明显升高，并且1.1 Pa FSS刺激下的表达水平显著高于0.1 Pa。MSC、MC3T3-E1和MLO-A5这 3种细胞在FSS刺激1 h后，Piezo1表达水平达到最高。Piezo1表达依赖于细胞种类，其中MC3T3-E1细胞的表达量高于其他3种细胞。结论 Piezo1的表达与成骨分化过程、FSS水平和加载时间相关，研究结果对于揭示骨组织细胞内力学信号的传递机制以及发展相应临床治疗措施具有重要意义。

摘要:目的 研究猪降主动脉的力学特性。方法 猪降主动脉按照距心脏距离分成5组，各组由左右两侧组织、腹侧面组织构成。使用单轴拉伸方法拉伸组织，获得应力与伸张比曲线。采用经典数学模型分析5个部位（位置1～5）弹性、胶原纤维模量以及胶原纤维激活参数等特征，并对比腹侧面与两侧组织之间的力学差异。结果 在环向上，胶原纤维模量随着远离心脏的方向逐渐增长，而弹性纤维模量位置1～4随着距心脏的距离增加而逐渐增大，位置5的弹性纤维模量减小，且位置5两侧的环向弹性纤维模量小于腹侧面约19%；在轴向上，弹性纤维模量小于腹侧面约37%，位置5腹侧面的弹性纤维模量相比于位置4差异不大（均值差异约5%）。在整个降主动脉中，侧面环向胶原纤维模量大于腹侧面约26%，环向弹性纤维模量在靠近心脏的四部分侧面高于腹侧面约16%。结论 猪胸主动脉的环向力学特性和位置有关，最远端的部分在低应力下表现出较软特点。研究结果有助于科研人员更好理解主动脉的力学特征以及开展更细致的计算机建模。

摘要:目的 测评后仰跌倒过程中身体不同部位冲击加速度的空间分布及时间累积特性。方法招募20~22岁健康青年男、女志愿者各4名，利用3轴加速度传感器测得后仰跌倒全过程头、胸、腰、左/右大臂/手/足、左/右前/后髋、左/右股骨头、骶骨、尾骨的3轴加速度，以第1峰值片段的加速度信号幅度矢量（signal magnitude vector, SMV）进行多项式拟合，分析跌倒过程中全身冲击加速度分布，以及后仰跌倒时头部、髋部相关位点的失重时间、总跌倒时间、SMV峰值、触地相对冲量等跌倒冲击力学参数。结果 左/右后髋、头部后仰跌倒过程中的SMV峰值与相对冲量显著高于其他部位（P＜0.05）；左/右后髋部与地面平行的加速度较大；左/右后髋、左/右股骨头、骶骨、尾骨的转动变换角显著大于其他部位（P＜0.05）。且后仰跌倒过程中，各检测位点均表现出与矢状面呈53.58°±6.75°的滑动趋势。结论 头部与髋关节是后仰跌倒过程中易受伤部位，其失重时间(0.26±0.05) s可作为保护装置最长启动时间；跌倒过程在左/右后髋、左/右股骨头、骶骨、尾骨表现出的大变换角可能是造成扭伤的重要原因。

摘要:目的 探讨全膝关节置换（total knee arthroplasty, TKA）术后14 d步态参数与术后3个月膝关节功能和生活质量的相关性。方法 采用三维步态系统分析18名患者TKA术后14 d患侧步行特征，运用WOMAC和SF-36评价量表评估患者TKA术后3个月的膝关节功能指数及生活质量并分析其相关性。结果 TKA术后14 d，术侧单支撑时间和摆动期膝关节屈角峰值均显著小于健侧，术侧站立中期膝关节屈角和膝外翻角均显著大于健侧；步行过程中，术侧的时空参数指标与WOMAC评分存在中度负相关，膝屈角峰值、站立中期膝屈角及外翻角与WOMAC评分存在高度相关性；除步长、步速外，其余步态参数指标均与SF-36生活质量评分具有显著相关性。其中，单支撑时间和膝关节屈角峰值具有高度正相关，站立中期膝屈角及外翻角具有中度负相关。结论 术后早期（14 d）步态分析结果中术侧单支撑时间、站立中期膝关节屈角、膝外翻角及摆动期膝关节屈角峰值可以作为判断TKA手术预后膝关节功能及生活质量康复疗效的有效指标。

摘要:目的 从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法 在完整腰椎有限元模型基础上，建立3种椎板切除程度不同的手术模型：双侧小关节切除（Bi-TLIF）、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除（LAM-PLIF）。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究，对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果 前屈状态下，手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显，其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%，而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%，在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力，Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加，而在L5～S1节段则不明显。结论 椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力，这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大，对邻近节段产生的影响越大。因此，更多地保留后部结构复合体，对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。

摘要:骨重建可保持骨生物力学特性稳定，对维持骨强度具有重要意义。正常骨骼的生长和发育需要转录调控网络、信号传导通路、力学生物学及生物力学因素的紧密协调，而力学环境的改变，多种信号途径失调，影响骨的发育。长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA）是一类长度大于200 nt、生物来源广泛、2级及3级结构高度保守的RNA分子。研究显示，许多lncRNA参与骨骼系统的正常发育或平衡，调控成骨细胞的分化，以及参与骨肉瘤的发生。LncRNA表达失调与关节炎、骨质疏松症和骨癌等多种骨疾病密切相关，有望作为预测骨疾病的生物标志物。综述lncRNA的特征、参与骨重塑的lncRNA及其可能的作用机理，并讨论lncRNA作为生物标志物应用于治疗包括骨关节炎、骨质疏松症、骨癌等骨骼系统疾病的可能性，旨在为更好地理解和研究lncRNA在生物体内的作用提供参考。

摘要:诸多因素会影响跑步运动损伤的发生，其中内在因素包括人体解剖学因素、受伤史、下肢运动生物力学和运动中的神经肌肉控制等，外在因素包括训练方法、跑步鞋、跑步路面等。跑步路面被认为是造成跑步运动损伤发生的重要潜在风险因素之一。总结不同地面对跑步下肢运动学、动力学、神经肌肉调控、运动损伤方面的影响，发现在不同地面跑步时，人体可能通过自身的神经肌肉调节功能进行运动学调整以获得动力学适应，调节下肢刚度以获得相似的冲击负荷。但是目前关于在不同路面上跑步的生物力学变化，多数研究只关注于运动学、动力学和神经肌肉调控中的某一方面，缺乏更进一步具体的三维运动生物力学数据，以及针对这种生物力学调整的具体神经肌肉调控机制。

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